0
350
700
1050
1400
1750
2100
2005
2010
2015
2020
2025
2030
Areaal Fresnelkas (ha)
0
350
700
1050
1400
1750
2100
2005
2010
2015
2020
2025
2030
Figuur 5.3. Marktintroductiemodel van de Fresnelkas.
De maximale introductiesnelheid door de vervangingsmarkt zal voor de Fresnelkas dan ca. 70 ha per jaar en voor de Elkas 130 ha per jaar kunnen bedragen. Met de gestelde aannames zijn de te verwachten uiteindelijke arealen voor de Fresnelkas 1750 ha en voor de Elkas 3750 ha. De benodigde tijd om deze arealen te halen zijn dan ca. 20-25 jaar. In de Figuren 5.2 en 5.3 zijn de geschatte marktintroducties voor beide kassen grafisch weergegeven. Naast de Nederlandse markt zijn er volop kansen in Europa. Verder toename van de marktgrootte kan door spin-offs
ontstaan. Vooral zijn marken als lichtstralen voor kantoren en fabrieken, lichtkoepels en andere transparante overkappingen voor winkel centra’s en zwembaden etc. interessant om de ontwikkelde technologie te vermarkten.
5.4
Conclusies transitie scenario
De transitie naar volledig energie neutrale kassen is aangegeven. Hiertoe zijn vier transitiepaden ontwikkeld en verschillende technieken in combinatie met de elektriciteit leverende kassen leiden tot de energieneutrale kas. Voor de Elkas en de Fresnelkas zijn de te verwachte arealen en introductiesnelheden bepaald. Met de gestelde aannames zijn de te verwachten arealen voor de Fresnelkas 1750 ha en voor de Elkas 3750 ha. De benodigde tijd om deze arealen te halen zijn ca. 20-25 jaar.
6
Conclusies
Bij de voorbereiding en realisatie van beide elektriciteit leverende kassen zijn een groot aantal bedrijven betrokken geweest. Naast de kasbouw bedrijven Bosman BV kassenbouw voor de Elkas en Technokas voor de Fresnelkas valt ook te noemen: Bode Project- en Ingenieursbureau B.V, IMEC in Leuven ECN Petten. De twee laatst genoemde instituten zijn betrokken geweest bij de keuze van PV-systemen. De laminatie voor het samenstellen van de PV-cellen tot modules is uitgevoerd door Soltec in Tienen (B). De firma Dekker heeft de scherminstallatie voor de Elkas ontwikkeld en gerealiseerd. Andere bedrijven zijn actief geweest voor de toelevering van Fresnellenzen, de multilaags NIR-reflecterende folie, het warmte opslagsysteem en installatie. Met de verdere ontwikkeling van beide kassen zal in het vervolgproject tevens de samenwerking met productie bedrijven geïntensiveerd worden. Voor de energieconversie is in het eerste onderzoek voor Silicium PV-cellen gekozen voor zowel de Fresnel als de Elkas op basis van rendement en prijs overwegingen. Hoewel er een groot aantal verschillende PV-materialen ontwikkeld zijn, zijn er slechts enkele materialen op grote schaal beschikbaar en geschikt voor geconcentreerde straling. Om deze reden blijft Silicium voorlopig het meest geschikte materiaal voor de energie omzetting van de Elkas. Op termijn kan echter CIS PV-materiaal een aantrekkelijk en goedkoper alternatief worden. Hiertoe wordt in het vervolgtraject een ontwikkeling ingezet. Voor de Fresnelkas zijn er naast het eerder toegepaste Silicium eveneens een aantal andere geschikte PV-materialen geschikt. De alternatieve PV-materialen zijn GaAs en Triple junctie cellen. Deze PV-materialen vertonen hogere rendementen en lagere temperatuurcoëfficiënten dan Silicium PV- cellen waardoor deze materialen interessant zijn om te onderzoeken in het vervolgtraject. Tevens is in de literatuur gevonden dat de temperatuurcoëfficiënt verminderd bij hogere concentratiefactoren. Dit voordeel samen met de geringere lichtonderschepping en lagere kosten geven het belang aan de concentratiefactor van de PV-systemen flink te verhogen in het vervolgproject.
Als mogelijk alternatief voor zowel de Elkas als de Fresnelkas is de thermische omzettingsmethode onderzocht. Dit is een combinatie van een vacuümcollector met een ORC of Stirlingmotor. ORC is voor grotere systemen het meest geschikt. Ondanks dat er momenteel low cost vacuüm collectoren beschikbaar gekomen zijn van Chinese makelij is de economische haalbaarheid van deze systemen minder dan van PV-technologie. Daarom wordt deze optie niet verder onderzocht in het vervolgproject.
Van zowel de Elkas als de Fresnelkas is voor vier verschillende dagen piekvermogens bepaald. Voor de Elkas was het bepaalde piekvermogen 24 W/m2. Dit is 15% hoger dan de in het eindrapport van de 2008 voorspelde waarde
van 21 W/m2. Dit is te verklaren door de verbeterde positie van de module en omdat de NIR folie strakker om het
gebogen glas was aangebracht. Door deze toename kunnen de verwachte jaaropbrengsten eveneens 15%
toenemen tot 18 kWh/m2 per jaar. De meetresultaten geven tevens mogelijkheden om de jaaropbrengsten verder te
laten toenemen tot ca. 28 kWh/m2 per jaar. Bij de Fresnelkas zijn de metingen in overeenstemming met de
resultaten van 2008. De jaaropbrengstberekeningen blijven hierdoor hetzelfde als in 2008 genoemd (29 kWh/m2).
Verhoging van de opbrengst tot ca. 50 kWh/m2 is mogelijk door laminatie van de lens op het glas en het gebruik van
AR gecoat glas. Verdere verhoging van de opbrengst tot 100 kWh/m2 kan plaatsvinden door verhoging van de
concentratiefactor en de toepassing van triple-junctie PV-cellen. De standaard deviatie van de meetresultaten van de jaaropbrengst is bepaald op 11%. De grootste afwijkingen zullen echter kunnen ontstaan door de fluctuaties in het jaarlijks klimaat. Hiervan is de standaard deviatie 20%.
De Elkas is momenteel nog niet rendabel in te zetten. De grootste invloed op de kostprijs en daaraan gekoppelde terugverdientijd zijn de PV-module, NIR-folie, het gebogen kasdek en het zonnevolgsysteem. Deze onderdelen verdienen aandacht en ontwikkeling in het vervolgproject. Ook het energieprijsscenario heeft een grote invloed op de terugverdientijd. Verhoging van de energieprijzen werkt fors door in de terugverdientijd. De primaire stappen die genomen moeten worden liggen echter op het vlak van verlaging van het kostenniveau van de installatie. Na een vereenvoudiging van de constructie, toename van de concentratiefactor en opbrengst in combinatie met hogere energieprijzen kan de terugverdientijd voor de normale uitvoering binnen afzienbare tijd ca. 11 jaar zijn. Onder dezelfde uitgangspunten is de terugverdientijd voor systeem met aquifer 5 tot 9 jaar.
Voor de Fresnelkas ligt het economisch perspectief dichterbij. De grootste invloed op de kostprijs en terugverdien- tijd zijn de kosten van de Fresnellens, laminatie, de PV-module en het zonnevolgsysteem. Voor de Fresnelkas ligt het economisch perspectief dichterbij. De grootste invloed op de kostprijs en terugverdientijd zijn de kosten van de Fresnellens, laminatie, de PV-module en het zonnevolgsysteem. Door deze kosten reducties en opschaling van processen kan de terugverdientijd van de ‘gewone kas’ (dus zonder aquifer), bij een midden of hoog scenario voor de energieprijs in een periode van 10 jaar dalen tot ca. 5-10 jaar. De kas met aquifer is door verdere investerings- kostenverlaging mogelijk eerder rendabel in te zetten, bij het hanteren van het huidige energieprijsniveau is de terugverdientijd 11 jaar, bij een hoog energieprijsscenario daalt dit tot ca. 4 jaar.
Als de systemen ook nog een klein positief effect hebben op de gewasproductie zal de terugverdientijd nog verder afnemen en de haalbaarheid op termijn nog verder toenemen.
De transitie naar volledig energie neutrale kassen is aangegeven. Hiertoe zijn vier transitiepaden ontwikkeld en verschillende technieken in combinatie met de elektriciteit leverende kassen leiden tot de energieneutrale kas. Voor de Elkas en de Fresnelkas zijn de te verwachte arealen en introductiesnelheden bepaald. Met de gestelde aannames zijn de te verwachten arealen voor de Fresnelkas 1750 ha en voor de Elkas 3750 ha. De benodigde tijd om deze arealen te halen zijn ca. 20-25 jaar.
7
Referenties
Al Baali, A.A., 1986.
Improving the power of a solar panel by cooling and light concentrating. Solar & Wind Technology 3, 241–245. Bakker, J.C., 2009.
Energy saving greenhouses. Chronica Horticulturae 49 (2). - p. 19 - 23. Brogren, M., P. Nostell & B. Karlsson, 2000.
Optical efficiency of a PVthermal hybrid CPCmodule for high latitudes. Solar Energy 69, 173–185. Coventry, J., 2005.
Performance of a concentrating photovoltaic/thermal solar collector. Solar Energy 78, 211–222.
Hemming, S., F.L.K. Kempkes, V. Mohammadkhani, N.J. van de Braak, T.A. Dueck, R.E.E. Jongschaap & Marissen, 2005.
Het effect van NIR-filterende kasdek- en schermmaterialen op kasklimaat, energieverbruik en Wageningen : Agrotechnology & Food Innovations, (A&F Rapport 505).
James, L.W. & J.K. Williams, 1978.
Fresnel optics for solar concentration on photovoltaic cells. In: Proceedings of the 13th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New York, pp. 673–679.
Kempkes, F., C. Stanghellini, S. Hemming & J. Dai1, 2008.
Cover materials Excluding Near Infrared Radiation: Effect on Greenhouse Climate and Plant Processes,
ActaHorticultura,. 797, ISHS 2008, p477-482.
Kempkes, F., C. Stanghellini, S. Hemming & J. Dai1, 2009.
NIR-selectief scherm; Energie-, vochthuishouding en Gewasrespons: openbare rapportage Wageningen : Wageningen UR Glastuinbouw, (Nota / Wageningen UR Glastuinbouw 610, Maart 2009).
Kritchman, E.M., A.A. Friesem & G. Yekutieli, 1979.
Efficient Fresnellens for solar concentration. Solar Energy 22, 119–123. Leutz, R., A. Suzuki, A. Akisawa & T. Kashiwagi, 1999.
Design of nonimaging Fresnellens for solar concentrators. Solar Energy 65, 379–387. Lorenzo, E. & G. Sala, 1979.
Hybrid silicon-glass Fresnellens as concentrator for photovoltaic applications. In: Proceedings of the ISES Conference Silver Jublilee Congress, Atlanta, pp. 536–539.
Nabelek, B., M. Maly & VI. Jirka, 1991.
Linear Fresnellenses, their design and use. Renewable Energy 1, 403–408. Nishoika, K., T. Tkamoto, T. Agui, M. Kaneiwa, Y. Uraoka & T. Fuyuki, 2006.
Solar Materials & Solar Cells, 90, 57-67.
Nelson, D.T., D.L. Evans & R.K. Bansal, 1975.
Linear Fresnellens concentrators. Solar Energy 17, 285–289.
O’Neil, M.J., R.R. Walters, J.L. Perry, A.J. McDanal, M.C. Jackson & W.J. Hess, 1990.
Fabrication, installation and initial operation of the 2000 sq. m. linear Fresnellens photovoltaic concentrator system at 3M/Austin (Texas). In: Proceedings of the 21th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Florida, pp. 1147– 1152.
Poot, E.H., F. de Zwart, J.C. Bakker, G.P.A. Bot, J.A. Dieleman, A. de Gelder, L.F.M. Marcelis & D. Kuiper, 2008. Richtinggevende beelden voor energiezuinig telen in semigesloten kassen Wageningen : Wageningen UR Glastuinbouw, (Nota / Wageningen UR Glastuinbouw 538). Cover materials Excluding Near Infrared Radiation: Effect on Greenhouse Climate and Plant Processes.
Sonneveld, P.J., G.L.A.M. Swinkels, H.J.J. Janssen, B.A.J. van Tuijl & G.P.A. Bot, 2009.
Fresnel concentrerende systemen voor de tuinbouw : openbare rapportage Wageningen : Wageningen UR Glastuinbouw, (Nota / Wageningen UR Glastuinbouw 604).
Sonneveld, P.J., G.L.A.M. Swinkels, V. Mohammadkhani, H.J. Holterman, H.F. de Zwart, G.P.A. Bot, H.J.J. Janssen, B.A.J. van Tuijl & J.B. Campen, 2009.
Ontwikkeling van de Elektriciteit Leverende Kas (ELKAS) : openbare rapportage (Rapport / Wageningen UR Glastuinbouw 236).
Sonneveld, P.J., G.L.A.M. Swinkels, G.P.A. Bot & G. Flamand, 2009.
Feasibility study for combining cooling and high grade energy production in a solar greenhouse, Biosystems
Engineering, In Press.
Sonneveld, P.J., G.L.A.M. Swinkels & G.P.A. Bot, 2009.
Design of a Solar Greenhouse with Energy Delivery by the Conversion of Near Infrared Radiation - Part 1 Optics and PV-cells, ActaHorticultura, 807 jan 2009, p. 47 – 53.
Sonneveld, P.J., H.J. Holterman, G.L.A.M. Swinkels, B.A.J. van Tuijl & G.P.A. Bot, 2008.
Solar Energy Delivering Greenhouse with an Integrated NIR filter, Acta Horticultura, 801 nov 2008, p. 703-710. Tripanagnostopoulos, Y., Th. Nousia, M. Souliotis & P. Yianoulis, 2002.
Hybrid photovoltaic/thermal solar systems. Solar Energy 72, 217–234. Tripanagnostopoulos, Y., M. Souliotis, R. Battisti & A. Corrado, 2005a.
Energy, cost and LCA results of PV and hybrid PV/T solar systems. Progress in Photovoltaics: Research and
Applications 13, 235–250.
Tripanagnostopoulos, Y., M. Souliotis, J.K. Tonui & A. Kavga, 2005b.
Irradiation aspects for energy balance in greenhouses. In: Proceedings of the International Conference on Sustainable Greenhouse Systems. Acta Horticulturae 691, 733-740.
Vanthoor, B.H.E., C. Stanghellini, E.J. van Henten & P.H.B. de Visser, 2008.
Optimal greenhouse design should take into account optimal climate management. Acta Horticulturae 802 p. 97 - 104.
Whitfield, G.R., R.W. Bentley, C.K. Weatherby, A.C. Hunt, H.D. Mohring, F.H. Klotz, P. Kenber, J.C. Minano & E. Alarte-Garui, 1999.